Двигатель стирлинга принцип работы. Двигатель Стирлинга: принцип работы, устройство и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга. Какие преимущества у этого типа двигателя. Где применяется двигатель Стирлинга сегодня. Можно ли сделать двигатель Стирлинга своими руками.

Содержание

История создания двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга был изобретен шотландским священником Робертом Стирлингом в 1816 году. Основная идея заключалась в создании более безопасной альтернативы паровым двигателям, которые в то время часто взрывались из-за высокого давления пара.

Стирлинг разработал двигатель внешнего сгорания, работающий за счет циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа при различных температурах. Это позволило создать двигатель, не требующий высокого давления и более безопасный в эксплуатации.

Первоначально двигатели Стирлинга использовались на фабриках и в шахтах, но затем были вытеснены более мощными паровыми и двигателями внутреннего сгорания. Однако интерес к этой технологии периодически возрождался на протяжении последующих двух столетий.

Принцип работы двигателя Стирлинга

Принцип работы двигателя Стирлинга основан на циклическом нагреве и охлаждении рабочего тела (газа или жидкости) в закрытом объеме. Это приводит к изменению давления, которое преобразуется в механическую работу.

Основные элементы двигателя Стирлинга:

Рабочий цилиндр
Поршень
Вытеснитель (перемещает газ между горячей и холодной зонами)
Нагреватель
Холодильник
Регенератор (теплообменник)

Цикл работы двигателя Стирлинга состоит из 4 основных этапов:

Изотермическое расширение — газ нагревается и расширяется, совершая работу
Изохорное охлаждение — газ охлаждается при постоянном объеме
Изотермическое сжатие — газ сжимается при постоянной температуре
Изохорный нагрев — газ нагревается при постоянном объеме

Благодаря регенератору часть тепла сохраняется в системе, что повышает эффективность двигателя. Теоретически КПД двигателя Стирлинга может достигать КПД цикла Карно.

Основные типы двигателей Стирлинга

Существует несколько основных конфигураций двигателей Стирлинга:

Альфа-Стирлинг

Имеет два рабочих поршня в раздельных цилиндрах. Один цилиндр горячий, второй холодный. Поршни соединены с коленвалом под углом 90°. Преимущества: высокая удельная мощность. Недостатки: сложность уплотнения горячего поршня.

Бета-Стирлинг

Имеет рабочий поршень и вытеснитель в одном цилиндре. Вытеснитель перемещает газ между горячей и холодной зонами. Преимущества: компактность. Недостатки: сложность кинематической схемы.

Гамма-Стирлинг

Рабочий поршень и вытеснитель находятся в разных цилиндрах. Более простая конструкция, но имеет меньшую удельную мощность. Часто используется в маломощных и учебных моделях.

Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга имеет ряд уникальных особенностей по сравнению с другими типами двигателей:

Преимущества:

Высокий теоретический КПД
Возможность работы от любого источника тепла
Экологичность (низкий уровень выбросов)
Бесшумность работы
Высокая надежность и большой ресурс
Возможность работы в обратном режиме (как холодильная машина)

Недостатки:

Высокая стоимость производства
Большие габариты и масса на единицу мощности
Медленный запуск и сложность регулирования мощности
Необходимость эффективного отвода тепла
Высокие требования к материалам (для высокотемпературных версий)

Современное применение двигателей Стирлинга

Несмотря на ряд недостатков, двигатели Стирлинга находят применение в некоторых специфических областях:

Космическая техника

NASA разрабатывает двигатели Стирлинга для космических аппаратов, использующих радиоизотопные источники тепла. Они более эффективны, чем термоэлектрические генераторы.

Подводные лодки

Бесшумность работы делает двигатели Стирлинга привлекательными для использования на подводных лодках. Швеция и Япония разрабатывают такие силовые установки.

Солнечная энергетика

Двигатели Стирлинга применяются в системах концентрации солнечной энергии для выработки электричества. Они более эффективны при высоких температурах, чем фотоэлектрические панели.

Когенерация

Двигатели Стирлинга используются в установках комбинированной выработки тепла и электроэнергии малой мощности. Они могут работать на биогазе или природном газе.

Как сделать двигатель Стирлинга своими руками

Простую модель двигателя Стирлинга можно изготовить в домашних условиях. Для этого понадобятся следующие материалы:

Консервная банка
Воздушный шарик
Проволока
Компакт-диск (в качестве маховика)
Свеча

Основные этапы изготовления:

Сделать отверстие в дне консервной банки
Закрепить воздушный шарик на открытом конце банки (это будет поршень)
Изготовить вытеснитель из проволоки и фольги
Собрать кривошипно-шатунный механизм из проволоки
Закрепить компакт-диск в качестве маховика

Нагрев нижней части банки свечой приведет самодельный двигатель Стирлинга в движение. Хотя такая модель имеет очень низкий КПД, она наглядно демонстрирует принцип работы.

Перспективы развития двигателей Стирлинга

Несмотря на ограниченное применение в настоящее время, двигатели Стирлинга продолжают привлекать внимание исследователей и инженеров. Основные направления развития:

Разработка новых материалов для повышения рабочих температур и эффективности
Совершенствование систем регенерации тепла
Создание компактных высокооборотных конструкций
Интеграция с возобновляемыми источниками энергии
Применение в гибридных энергетических установках

Возможно, в будущем двигатели Стирлинга найдут более широкое применение по мере развития технологий и роста потребности в эффективных и экологичных источниках энергии.

Принцип работы мотора Стирлинга

Многим интересен принцип работы двигателя Стирлинга, и не только из праздного любопытства, но и потому, что если не понять основу его действия, то очень трудно изготовить работающую модель. В данной публикации подробно и насколько возможно, лаконично, дан ответ на этот вопрос. А наглядно все представлено в видеоуроке со всеми схемами.

В этом китайском магазине можно найти отличный генератор.

Рассмотрим сначала

Принцип работы низкотемпературного двигателя.

Сам двигатель состоит из цилиндра, в котором движется вытеснитель и из второго цилиндра, в котором ходит рабочий поршень. Боковые стенки большого цилиндра не проводят тепло. Верхняя часть холодная, нижняя — горячая. Когда вытеснитель опускается вниз, перекрывая горячую пластину, воздух резко охлаждается и сжимается, втягивая рабочий поршень (зеленого цвета на видео).

Товары для изобретателей Ссылка на магазин.

Схема низкотемпературного двигателя Стирлинга

При движении вытеснителя вверх, он перекрывает холодную пластину, воздух от нижней пластины резко нагревается, расширяется (от нагрева) и вытесняет рабочий зеленый поршень вверх.

Далее цикл повторяется, так как вытеснитель и рабочий поршень связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов.

Зарабатывайте в интернете с этой старой добройПАРТНЕРКОЙ.

Принцип действия высокотемпературного мотора Стирлинга

Левая и правая части цилиндра не касаются друг друга. Между ними стоит теплоизолятор. Когда вытеснитель находится в левой стороне, он вытесняет весь горячий воздух вправо, воздух остывает, всасывая рабочий поршень. Когда же вытеснитель уходит вправо, он выгоняет весь воздух в горячую камеру, воздух нагревается, расширяется и вытесняет рабочий поршень вправо. Рабочий поршень и вытеснитель связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов. Далее цикл повторяется.

Электроника для самоделок вкитайском магазине.

Схема высокотемпературного двигателя Стирлинка

Далее вся механика наглядно на видео. Во второй части видео один из вариантов сборки Стирлинга.

Чтобы окончательно понять принцип действия мотора Стирлинга, нужно собрать его работающую конструкцию и в процессе доводки совершенствовать его и тестировать при разных конфигурациях.
Для наиболее простого понимания законов, по которым работает двигатель, достаточно сделать так:
— сделать цилиндр с вытеснителем;
— вместо рабочего поршня установить резиновый воздушный шарик;
— маховик пока не ставить;
— нагреть нижнюю часть устройства, остудить верхнюю и начать изменять положение вытеснителя;
— если попробовать поднять вытеснитель вверх — шарик резко надуется;
— если опустить вытеснитель вниз — шарик сдуется.
Таким образом эти простые действия наглядно покажут, как все происходит в механизме двигателя.
— Далее заменим воздушный шарик на поршень;
— поршень должен свободно двигаться, но следует настроить все так, чтобы он не пропускал воздух;
— смазать поршень силиконовой смазкой;
— проделать те же действия, что ранее были выполнены с шариком, но уже с поршнем;
— понаблюдать ход поршня, зафиксировать в записях в рабочем блокноте для того, чтобы подсчитать ход (выгиб) коленвала;
— изготовить маховик, шатун, коленвал и всё, мотор Стирлинга готов!
— окончательно протестировать готовый аппарат.

Важные моменты, если вы делаете сами движок

При изготовлении мотора Стирлинга придерживайтесь рекомендаций.

1. Стенки цилиндра, где ходит вытеснитель, должны быть сделаны так, чтобы не проводить тепло.
2. Один край цилиндра — холодный, другой- горячий. Чем больше разница температур — тем выше эффективность работы.
3. Между стенками цилиндра и вытеснителем должен быть зазор (3 мм достаточно), чтобы было куда воздуху просачиваться с холодной камеры в горячую.
4. Не должно быть утечек воздуха (свести их к минимуму). Это одно из основных причин, которые не дают двигателю работать.
5. Убрать все трение по максимуму. Используйте силиконовую смазку — она дает очень хороший результат.
Удачи в техническом творчестве!

В другом материале о том, как приспособить для этого движка генератор тока. А тут еще одна модель, которую можно собрать дома.

Как работают двигатели Стирлинга?

В течение почти 200 лет термические двигатели, известные по имени их изобретателя, были известны в как двигатели Стирлинга. Их изобретатель работал над построением наиболее эффективного или оптимального рабочего теплового двигателя. Стирлинг подошел к проблеме довольно научным образом. То есть, двигатель (его теоретическая циркуляция) был проанализирован и проверен вычислительно до того, как был построен прототип. Все в теории выглядело очень многообещающим. В принципе, до сих пор предполагалось, что они должны быть одним из наиболее эффективных тепловых двигателей. Так почему бы нам не путешествовать с автомобилями, использующими Стирлинг, несмотря на их многочисленные преимущества?

Рисунок двигателя Стирлинга из оригинального патента от 1816 года. Источник: Wikimedia Commons , автор: Индийский технологический институт, копия изображения в патенте Роберта Стирлинга 1816 года .

Чтобы получить полезную мощность от поршневого двигателя, он должен развивать достаточно высокий крутящий момент или достигать высокой скорости вращения. Двигатели Стирлинга не достигают высоких скоростей вращения, поэтому давайте рассмотрим момент. В основном, это будет зависеть от силы, действующей на поршень, а это, в свою очередь, от давления рабочего тела в рабочем ходу и поверхности поршня, которое работает. Эти упрощенные рассуждения помогут нам понять структурные проблемы двигателей Стирлинга. Для того, чтобы двигатель был больше, чем модель на столе, он должен быть огромным — иметь большой диаметр рабочего поршня, или поршень должен находиться под высоким давлением во время рабочего хода.

Типичная «настольная» модель двигателя Стирлинга с рубежа 20 и 21 веков. Диаметр маховика: около 30 мм. Он должен быть включен в группу так называемых «Гаджеты».

История двигателя Стирлинга в 19 веке

В начале 19-го века двигатели в основном использовались для привода машин (например, насосов в шахтах, приводов центральных машин на заводах), а двигатели могли быть огромными. На повестке дня были указаны рабочие цилиндры диаметром более 0,5-1 м. Несмотря на это, паровые двигатели Уатта выиграли конкурс на двигатели Стирлинга. Правда, двигатели Стирлинга были проще в дизайне и обработке, но паровые двигатели, включая всю систему (котельную) и все их недостатки, однако, были более эффективными (читай: более дешевый в эксплуатации) и обеспечили большую мощность. Даже в мобильных системах, таких как корабли и поезда (в Англии и Шотландии в середине 19 века сеть железных дорог уже была разработана), паровые двигатели были намного лучше.

Промышленный двигатель Стирлинга примерно с 1860 года. Представленный двигатель, произведенный Эрикссоном, реализовал модифицированный цикл Стирлинга, названный в честь его создателя Эрикссоном . Источник: Wikimedia Commons , Vasárnapi Ujság, 1861/8 [1] .

Конечно, двигатели Стирлинга использовались здесь и там, но они не доминировали на рынке. Более того, установленные двигатели Стирлинга часто заменялись паровыми двигателями, а те, которые остались, уже считались раритетами и нишевыми приложениями. В Европе, возможно, самыми известными двигателями Стирлинга с рубежа XIX и XX веков были те, которые использовались в… аквариумных насосах. Одним из наиболее известных производителей таких двигателей в этот период стала компания Louis Heinrici .

Семейство двигателей Стирлинга от компании Louis Heinrici. Иллюстрация из каталога компании с 1914 года. Источник: Wikimedia Commons , автор: First-Neutron .

Но вернемся к теме. В конце 19-го века появились двигатели внутреннего сгорания, сначала с газом, а затем с жидким топливом. Кроме того, в автомобильных приводах появились также электродвигатели. Теоретически двигатели Стирлинга должны быть лучше всех (независимо от того, что это означает), поэтому все время мир науки и техники периодически интересовался ими. Поскольку строительство огромных двигателей Стирлинга в 19 веке утратило свой смысл, предпринимались попытки построить небольшие двигатели, но с высоким давлением рабочего тела, так что создаваемые двигательные системы были бы конкурентоспособными с двигателями внутреннего сгорания. Пик работы на таких двигателях произошел в 1950-х и 1960-х годах. Конечно, возникла значительная группа проблем, которые были более или менее успешно решены.

Коммерчески доступный электрический генератор, приводимый в движение двигателем Стирлинга от Philips с середины 20-го века (1953). Электрическая мощность: около 180 Вт. Высота корпуса: около 0,5 м. Источник: Викисклада , Норберт Шнитцлер .

Использование гелия

В то же время появилась идея заменить рабочий фактор. До сих пор под лозунгом «рабочий фактор» в двигателях Стирлинга мы понимали обычный атмосферный воздух. В какой-то момент инженеры и ученые задали вопрос, есть ли что-то лучше с точки зрения термодинамических свойств? Да. Более или менее с 1930-х годов этот газ был коммерчески продан в промышленных количествах. Это гелий. Использование гелия в качестве рабочего вещества значительно повышает эффективность двигателей Стирлинга. Однако использование нового фактора вызвало совершенно новые проблемы. Гелий плохо хранится даже при комнатной температуре. То есть. из-за очень малых частиц, он имеет тенденцию проникать в большинство материалов, используемых в технологии со сталью в головке. В 60-х и 70-х годах были изучены гелиевые двигатели. Их характерная особенность, видимая на фотографиях,… прикреплена к двигателю гелиевого цилиндра, используемого для пополнения газа, выходящего из двигателя практически через все его элементы. Проблема была серьезной. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично.

Моторы Стирлинга, их применение в конце 20 века

В конце 20-го века двигатели Стирлинга снова вернулись. Оба НАСА, Государственный департамент США и Европейский союз инвестировали в исследования новых поколений двигателей Стирлинга. Они были в основном предназначены для солнечных систем (т. Е. Источник тепла должен был быть солнечным светом, сфокусированным на обогревателе двигателя большим параболическим зеркалом). Многие из этих двигателей имели неровный дизайн.

Пример проекта двигателя Стирлинга, предложенного г-ном Мацей Жукашем в соответствии с патентом P. 389415 . Проект выполнен в рамках магистерской работы на факультете SiMR в Варшавском технологическом университете (руководитель: проф. Вяслав Остапски, PhD, Eng.

Идея этой идеи заключалась в том, что весь двигатель с электрическим генератором должен быть запечатан в герметичном (для гелиевого) несъемного корпуса, считая, что он не может использоваться на протяжении всего срока его службы. Однако на этот раз технология не удалась. Если были получены положительные результаты, они были связаны со слишком высокими издержками. Наилучшим образом, самые распространенные двигатели Стирлинга в двадцатом веке остались в Индии настольные вентиляторы, конструктивно похожие на вышеупомянутые насосы для аквариума…

Пример солнечной системы с электрическим генератором, приводимым в движение двигателем Стирлинга. Источник: Wikimedia Commons , автор: Загружено Skyemoor .

Одной из последних идей использования двигателей Стирлинга было «спуск с параметров». То есть нашли применение для двигателей с низкими характеристиками и существенно более низкой эффективностью, чем двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели. Примерно в начале XXI века с помощью двигателей Стирлинга была обнаружена идея восстановления энергии, утраченной в процессах нагрева, таких как «дымоход» с дымовым газом из СО-печей. Однако экономический расчет по-прежнему был против использования таких решений в больших масштабах.

Конечно, несмотря на все технологические проблемы, двигатели Стирлинга производятся и используются. Однако это очень специфические приложения, которые позволяют оправдать высокие производственные и / или эксплуатационные расходы. В дополнение к военным применениям примерами являются энергетические системы, работающие на биогазе, восстановленном на полигонах. Яднак таких двигателей по-прежнему остается большой «экзотикой» в мире технологий, и, вероятно, большинство читателей этого текста никогда не встретит такой движок…

Коммерчески доступный электрический генератор, приводимый в движение двигателем Стирлинга STM с начала 21 века. Электрическая мощность: около 38 кВт или 65 кВт. Высота корпуса: около 1 м. Источник: Викисклада , автор: В.Т.Чыманский.

Заключение

Мы процитировали выше упрощенную историческую схему тенденций проектирования двигателей Стирлинга. Конечно, мы опустили множество проектов как энтузиастов, так и тех, которые были разработаны в «серьезных» исследовательских проектах (например, машины с жидкими поршнями — «жидкость», термоакустические двигатели и т.д.). Это не меняет того факта, что инженеры и ученые пытались построить эффективный и надежный двигатель Стирлинга почти 200 лет. Практически каждое последующее поколение инженеров пытается решить проблемы этих двигателей, надеясь, что это обеспечит технический прогресс, который произошел в предыдущие 20-25 лет. К сожалению, усилия по-прежнему неэффективны. Я должен признать, что, по-видимому, мое поколение также пыталось это сделать, а также потерпело неудачу. Однако мы глубоко убеждены в том, что

Совсем другое дело, что каждое поколение инженеров начинает свою деятельность почти с самого начала, на практике имея очень сложный доступ к документации ранее выполненных работ… но это снова тема для совершенно другого случая.

Модель двигателя Стирлинга в бета-системе, разработанной и сделанной г-ном Рафалом Ходорковским в рамках инженерных работ на факультете SiMR в Варшавском технологическом университете (руководитель: Мачей Тулодзекский, PhD). Длина двигателя: около 35 см.

Двигатель Стирлинга. Устройство и принцип работы

Двигатель внутреннего сгорания вытеснил остальные виды силовых установок, однако, работы, направленные на отказ от использования этих агрегатов, наводят на мысль о скорой смене лидирующих позиций.

С начала технического прогресса, когда использование моторов, сжигающих горючее внутри, только начиналось, не было очевидным их превосходство. Паровая машина, как конкурент, содержит в себе массу преимуществ: наряду с тяговыми параметрами, бесшумная, всеядная, легко управляется и настраивается. Но лёгкость, надёжность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания взять вверх над паром.

Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счёт возобновляемых источников топлива. В 16 году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает экономичность, надёжность, работает тихо, на любом топливе, это делает изделие игроком на автомобильном рынке.

Роберт Стирлинг (1790-1878 года жизни):

История двигателя Стирлинга

Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.

Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.

Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:

PV=nR*T

здесь

P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
n – молярное количество газа в двигателе;
R – постоянная газа;
T – степень нагрева газа в двигателе К,

Модель двигателя Стирлинга:

За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.

Цикл

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, использует одноимённую совокупность явлений. Эффект от протекающего действия в механизме высок. Благодаря этому есть возможность сконструировать двигатель с неплохими характеристиками в рамках нормальных габаритов.

Необходимо учитывать, что в конструкции механизма предусмотрен нагреватель, холодильник и регенератор, устройство, отвода тепла от вещества и возвращения тепла, в нужный момент.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «температура-объём»):

Идеальные круговые явления:

1-2 Изменение линейных размеров вещества с постоянной температурой;

2-3 Отвод теплоты от вещества к теплообменнику, пространство, занимаемое веществом постоянно;
3-4 Принудительное сокращение пространства, занимаемого веществом, температура постоянна, тепло отводится охладителю;
4-1 Принудительное увеличение температуры вещества, занимаемое пространство постоянно, тепло подводится от теплообменника.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «давление-объём»):

Из расчёта (моль) вещества:

Подводимое тепло:

Получаемое охладителем тепло:

Теплообменник получает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдаёт тепло (процесс 4-1):

R – Универсальная постоянная газа;

СV – способность идеального газа удерживать тепло при неизменной величине занимаемого пространства.

За счёт применения регенератора, часть теплоты остается, в качестве энергии механизма, не меняющейся за проходящие круговые явления. Холодильник получает меньше тепла, таким образом, теплообменник экономит тепло нагревателя. Это увеличивает эффективность установки.

КПД кругового явления:

ɳ =

Примечательно, что без теплообменника совокупность процессов Стирлинга осуществима, но его эффективность будет значительно ниже. Прохождение совокупности процессов задом наперёд ведёт к описанию охлаждающего механизма. В этом случае наличие регенератора, обязательное условие, поскольку при прохождении (3-2) невозможно нагреть вещество от охладителя, температура которого значительно ниже. Так же невозможно отдать тепло нагревателю (1-4), температура которого выше.

Принцип работы двигателя

Что бы понять, как работает двигатель Стирлинга, разберёмся в устройстве и периодичности явлений агрегата. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия в действие силы на тело. Весь процесс происходит благодаря температурному перепаду, в рабочем веществе, находящемся в закрытом контуре.

Принцип действия механизма базируется на расширении за счёт тепла. Непосредственно до расширения, вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед тем, как сжаться, вещество охлаждают. Сам цилиндр (1) окутан водяной рубашкой (3), ко дну подается тепло. Поршень, совершающий работу (4) помещен в гильзу и уплотнён кольцами. Между поршнем и дном находится механизм вытеснения (2), имеющий значительные зазоры и свободно перемещающийся. Вещество, находящееся в замкнутом контуре, двигается по объёму камеры за счёт вытеснителя. Перемещение вещества ограничено двумя направлениями: дно поршня, дно цилиндра. Движение вытеснителя обеспечивает шток (5), который проходит через поршень и функционирует за счет эксцентрика с запаздыванием на 90° в сравнении с приводом поршня.

Позиция «A»:

Поршень расположен в крайнем нижнем положении, вещество охлаждается за счет стенок.

Позиция «B»:

Вытеснитель занимает верхнее положение, перемещаясь, пропускает вещество через торцевые щели ко дну, сам охлаждается. Поршень стоит неподвижно.

Позиция «C»:

Вещество получает тепло, под действием тепла увеличивается в объёме и поднимает расширитель с поршнем вверх. Совершается работа, после чего вытеснитель опускается на дно, выталкивая вещество и охлаждаясь.

Позиция «D»:

Поршень опускается вниз, сжимает охлаждённое вещество, выполняется полезная работа. Маховик служит в конструкции аккумулятором энергии.

Рассмотренная модель без регенератора, поэтому КПД механизма не велико. Тепло вещества после совершения работы отводится в охлаждающую жидкость, используя стенки. Температура не успевает снижаться на нужную величину, поэтому время охлаждения продлевается, скорость мотора маленькая.

Виды двигателей

Конструктивно, есть несколько вариантов, использующих принцип Стирлинга, основными видами считаются:

Двигатель «α – Стирлинг»:

Конструкция применяет два разных поршня, помещенных в различные контуры. Первый контур используется для нагрева, второй контур применяется для охлаждения. Соответственно, каждому поршню принадлежит свой регенератор (горячий и холодный). Устройство обладает хорошим соотношением мощности к объёму. Недостаток в том, что температура горячего регенератора создает конструктивные сложности.

Двигатель «β – Стирлинг»:

Конструкция использует один замкнутый контур, с разными температурами на концах (холодный, горячий). В полости расположен поршень с вытеснителем. Вытеснитель делит пространство на холодную и горячую зону. Обмен холодом и теплом происходит путём перекачивания вещества через теплообменник. Конструктивно, теплообменник выполняется в двух вариантах: внешний, совмещённый с вытеснителем.

Двигатель «γ – Стирлинг»:

Поршневой механизм предусматривает применение двух замкнутых контуров: холодного и с вытеснителем. Мощность снимается с холодного поршня. Поршень с вытеснителем с одной стороны горячий, с другой стороны холодный. Теплообменник располагается как внутри, так и снаружи конструкции.

Некоторые силовые установки не похожи на основные виды двигателей:

Роторный двигатель Стирлинга.

Конструктивно изобретение с двумя роторами на валу. Деталь совершает вращательные движения в замкнутом пространстве цилиндрической формы. Заложен синергетический подход реализации цикла. Корпус содержит радиальные прорези. В углубления вставлены лопасти с определённым профилем. Пластины надеты на ротор и могут двигаться вдоль оси при вращении механизма. Все детали создают меняющиеся объёмы с выполняющимися в них явлениями. Объёмы различных роторов связаны при помощи каналов. Расположение каналов имеют сдвиг в 90° друг к другу. Сдвиг роторов относительно друг друга составляет 180°.

Термоакустический двигатель Стирлинга.

Двигатель использует акустический резонанс для проведения процессов. Принцип основан на перемещении вещества между горячей и холодной полостью. Схема уменьшает количество движущихся деталей, сложность в снятии полученной мощности и поддержании резонанса. Конструкция относится к свободнопоршневому виду мотора.

Двигатель Стирлинга своими руками

Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга:

Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;

Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

После того, как удалось сделать двигатель Стирлинга дома, мотор запускают. Для этого под банку помещают зажженную свечку, а после того, как банка прогрелась, дают толчок маховику.

Рассмотренный вариант установки можно быстро собрать у себя дома, как наглядное пособие. Если задаться целью и желанием сделать двигатель Стирлинга максимально приближённый к заводским аналогам, в свободном доступе есть чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла позволит создать работающий макет ни чем не хуже коммерческих версий.

Преимущества

Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

Недостатки

К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.

Использование

Двигатель Стирлинга нашел свою нишу и активно применяется там, где габариты и всеядность важный критерий:

Двигатель Стирлинг-электрогенератор.

Механизм преобразования тепла в электрическую энергию. Часто встречаются изделия, используемые в качестве портативных туристических генераторов, установки по использованию солнечной энергии.

Двигатель, как насос (электрика).

Двигатель применяют для установки в контур отопительных систем, экономя на электрической энергии.

Двигатель, как насос (обогреватель).

В странах с тёплым климатом двигатель используют как обогреватель для помещений.

Двигатель Стирлинга на подводной лодке:

Двигатель, как насос (охладитель).

Практически все холодильники в своей конструкции применяют тепловые насосы, устанавливая двигатель Стирлинга, экономятся ресурсы.

Двигатель, как насос, создающий сверхнизкие степени нагрева.

Устройство применяют в качестве холодильника. Для этого процесс запускают в обратную сторону. Агрегаты сжижают газ, охлаждают измерительные элементы в точных механизмах.

Двигатель для подводной техники.

Подводные корабли Швеции и Японии работают благодаря двигателю.

Двигатель Стирлинга в качестве солнечной установки:

Двигатель, как аккумулятор энергии.

Топливо в таких агрегатах, расплавы соли, двигатель применяют, как источник энергии. Мотор по запасу энергии опережает химические элементы.

Солнечный двигатель.

Преобразуют энергию солнца в электричество. Вещество в данном случае, водород или гелий. Двигатель ставится в фокусе максимальной концентрации энергии солнца, созданного при помощи параболической антенны.

Как работают двигатели Стирлинга?

Как работают двигатели Стирлинга? — Объясните этот материал

Вы здесь: Домашняя страница > Инжиниринг > Двигатели Стирлинга

Дом
индекс А-Я
Случайная статья
Хронология
Учебное пособие
О нас
Конфиденциальность и файлы cookie

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 28 мая 2021 г.

Двигатели питают наш мир с момента Промышленная революция: сначала грязные паровые машины, работающие на угле, затем более чистые и эффективные бензиновые двигатели, а в последнее время реактивные двигатели в самолетах. Основная концепция двигателя — то, что использует разницу между высокой температурой и низкой один — не изменился за пару сотен лет, хотя иногда люди все же придумывают небольшие улучшения, которые сделать процесс немного быстрее или эффективнее. Один двигатель вы возможно, много слышал о недавно двигатель Стирлинга, что немного похоже на паровой двигатель, который не использует пар! Вместо этого он нагревает, охлаждает и рециркулирует один и тот же воздух или газ снова и снова. снова и снова, чтобы произвести полезную мощность, которая может управлять машиной. В команде Благодаря солнечной энергии и другим новым технологиям двигатели Стирлинга кажутся передовыми технологиями, но на самом деле они с 1816 года. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Двигатели Стирлинга становятся все более популярными для использования Возобновляемая энергия. На этом фото вы можете увидеть массив зеркал концентрируя солнечное тепло на двигателе Стирлинга, который вырабатывает электричество. Двигатель Стирлинга установлен на крайнем правом рычаге. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Содержание

Что такое двигатель?
Что такое двигатель Стирлинга?
Каковы ключевые части двигателя Стирлинга?
Как работает двигатель Стирлинга?
Для чего можно использовать двигатели Стирлинга?
Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга
Кто изобрел двигатели Стирлинга?
Узнать больше

Что такое двигатель?

Двигатели, приводящие в движение транспортные средства или заводские машины являются примерами того, что ученые называют тепловыми двигателями. Они горят богатое энергией топливо (уголь, бензин или что-то еще) для высвобождения тепловая энергия, которая используется для производства газ расширится и остынет, нажми на поршень, крутить руль и водить машину. Двигатели бывают двух основных типов: двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) горят топливо в одном месте и производить энергию в другой части та же машина; двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели) сжигать топливо и производить мощность точно в одном месте (в автомобиле все происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах). Оба типы двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляющую газ расширяться, а затем остывать. Чем больше разница температур (между газом при самое горячее и самое холодное), тем лучше работает двигатель. Теория того, как работа двигателя основана на науке термодинамики (буквально «как движется тепло») и на теоретической модели того, как идеальные двигатели расширяются, сжимаются, нагреваются и охлаждаются. газ в серии шагов, называемых циклом.

Хорошие и плохие двигатели

Прежде чем мы узнаем, что же такого хорошего в Двигатели Стирлинга, это поможет, если мы узнаем, что так плохо Паровые двигатели. Как они работают? У вас есть угольный огонь, который нагревает воды, пока она не закипит и не сделает пар. Пар идет по трубе в цилиндр через открытый впускной клапан, где он толкает поршень и водит колесо. Затем впускной клапан закрывается, а выпускной клапан открывается. Импульс колеса заставляет поршень вернуться в цилиндр, где он выталкивает охлажденный ненужный пар через выйти и прочь вверх по дымовой трубе (дымоходу).

Фото: Примеры паровых двигателей, таких как в этом локомотиве двигателей внешнего сгорания. Огонь, дающий энергию при сгорании (1), находится снаружи (вне) цилиндр, в котором тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая поршень (4), который приводит в движение колеса с кривошипом (5) и приводит в движение поезд (6). Паровая и тепловая энергия постоянно выбрасывается из дымовой трубы (7), что делает этот способ приведения в действие движущейся машины особенно неэффективным и неудобным. Но это было нормально в те дни, когда угля было много и никто особо не заботился о том, чтобы навредить планете.

Много проблем с паром двигателей, но вот четыре наиболее очевидных. Во-первых, котел из-за чего пар работает под высоким давлением и существует риск что он может взорваться (взрывы котлов были серьезной проблемой с очень ранними паровыми двигатели). Во-вторых, котел вообще какой-то расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется, получая тепло от один к другому. В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, еще достаточно горячий, поэтому он содержит потраченную впустую энергию. В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из цилиндр каждый раз, когда поршень толкает, двигатель должен потреблять огромные количества воды, а также топлива. (Вот почему паровозы имеют продолжать останавливаться у цистерн с водой на обочине пути. )

Рекламные ссылки

Что такое двигатель Стирлинга?

Можем ли мы разработать двигатель, преодолевающий эти проблемы? Предположим, мы избавились от котла (что решило бы опасность взрыва) и использовать тепло от огня для питания двигатель напрямую. Тогда вместо использования пара для перемещения тепловой энергии от огня к цилиндру, почему бы не поставить цилиндр ближе к огонь и использовать обычный воздух (или какой-либо другой простой газ) для перемещения тепла энергия между ними? (Вот почему двигатели Стирлинга иногда позвонил двигатели горячего воздуха .) Если мы запечатаем этот воздух в закрытой трубе, то один и тот же воздух движется вперед и назад снова и снова, собирая энергию от огня и выпуская его в цилиндр, решаем проблему двигателя, нуждающегося в постоянной подаче воды. Наконец, почему бы и нет добавить какой-нибудь теплообменник, чтобы горячий воздух проходил обратно и далее, его энергия сохраняется внутри машины и перерабатывается в повысить общую эффективность. Это основные способы, которыми Двигатель Стирлинга совершенствует паровой двигатель. Вы будете иногда видеть Двигатели Стирлинга, описываемые как «замкнутый цикл с рекуперацией тепла». двигатели», что является очень кратким способом выразить то, что мы только что сказали: замкнутый цикл означает, что они используют герметичный объем газа для возврата тепла и вперед, снова и снова, через серию бесконечно повторяющихся шагов; регенеративный просто означает, что они использовать теплообменники для сохранения части тепла, которое в противном случае теряться при каждом цикле (бесполезно взорваться в дымовую трубу, как в паровой машине).

Простой или сложный?

Некоторые люди говорят, что двигатели Стирлинга просты. Если это правда, то это так же верно, как и великие уравнения физики (например, E = mc2) просты: они просты на поверхности, но богаче, сложнее и потенциально очень запутанно, пока вы действительно не разберетесь с ними. Я думаю, что безопаснее думать о двигателях Стирлинга как о сложных: много очень плохих видео на YouTube. показать, как легко их «объяснить» очень неполным и неудовлетворительным образом. На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто построив его или наблюдая за его работой снаружи: вам нужно хорошо подумать о цикле шагов, который он проходит, что происходит с газом внутри и чем он отличается. от того, что происходит в обычной паровой машине.

В любом случае, давайте посмотрим, сможем ли мы правильно объяснить двигатель Стирлинга, сначала рассмотрев содержащиеся в нем детали, затем подумав, что они делают, и, наконец, взглянув на более сложную (термодинамическую) теорию.

Фото: Небольшой, компактный двигатель Стирлинга, подобный этому, может работать от крошечного разницы в тепле — даже когда человек отдыхает на чьих-то руках и убегает от содержащегося в них тепла. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

Каковы ключевые части двигателя Стирлинга?

Существует довольно много различных конструкций двигателей Стирлинга, и мы рассмотрим один конкретный тип, известный как вытесняющий (или рабочий объем) двигатель Стирлинга (также известный как бета-двигатель Стирлинга). Вот основные части:

Источник тепла

Источник тепла — это место, откуда двигатель получает всю свою энергию, и это может быть что угодно, например, уголь. огонь солнечному зеркалу, концентрирующему тепло Солнца (как на нашем верхнем фото). Хотя двигатели Стирлинга называются двигателями внешнего сгорания, они не должны вообще использовать горение (фактическое сжигание топлива): они просто нужна разница температур между источником тепла (откуда поступает энергия) и радиатор (куда она попадает).

Вы можете управлять маленьким двигателем Стирлинга теплом от чашки кофе, теплую чью-то ладонь или даже (к полному изумлению многих) кубик льда: энергия, вырабатываемая двигателем, исходит от любой разницы температур между источником тепла и источником тепла. раковина. Сказав это, стоит помнить, что с крошечным двигателем Стирлинга, работающим на что-то вроде чашки кофе, просто потому, что она содержит относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.

Работа: Основные части вытеснительного двигателя Стирлинга.

Газ

Объем газа постоянно запечатан внутри машины в закрытом цилиндре. Это может быть обычный воздух, водород, гелий или другое легкодоступное вещество, остается газом, поскольку он нагревается и охлаждается в течение полного цикла двигателя (повторяющаяся серия операций, через которые он проходит). Его единственное назначение — перемещение тепловой энергии от источника тепла к радиатору, приводя в действие поршень, приводящий в движение машину, а затем снова вернуться к набери еще. Газ, перемещающий тепло, иногда называют рабочим телом.

Радиатор

Место, где горячий газ охлаждается перед возвратом в источник тепла. Обычно это какой-то радиатор (кусок металла с прикрепленными ребрами), который выбрасывает отработанное тепло в атмосферу.

Поршни

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но я считаю, что все они имеют два поршня — это один из более очевидных вещей, которые отличают их от других двигателей. В общей конструкции, называемой двухпоршневой (или альфа) двигатель Стирлинга, там два одинаковых поршня и цилиндра и газовые челноки сзади и далее между ними, нагреваясь и расширяясь, затем охлаждаясь и сжимаясь, прежде чем цикл повторяется.

В другой конструкции, показанной здесь, называемой двигателем Стирлинга с рабочим объемом (или бета-версией), имеется один полностью внутренний поршень, называемый вытеснителем (окрашен зеленым), задачей которого является перемещение газа между источником тепла и радиатором. В отличие от обычного поршня в паровой машине, вытеснитель подходит очень свободно (с небольшим свободным пространством между поршнем). край поршня и стенка цилиндра), и газ обтекает его снаружи, когда он движется вперед и назад. Также имеется рабочий поршень (окрашенный в темно-синий цвет), который плотно входит в цилиндр и превращает расширение газа в полезную работу, приводящую в движение независимо от того, работает ли двигатель. В более крупных двигателях Стирлинга рабочий поршень обычно имеет тяжелое маховик прикреплен к сборке импульс и обеспечить бесперебойную работу машины. Рабочий поршень и поршень вытеснителя постоянно движутся, но они не в ногу (одна четверть цикла или 90° не в фазе) друг с другом; они приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень вытеснителя всегда находится на одну четверть цикла (90°) 90 109 впереди 90 110 рабочего поршня.

Теплообменник

Теплообменник, также известный как регенератор, находится в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, он отдает часть своего тепла. на котором держится регенератор. Когда газ движется назад, он снова забирает это тепло. Без регенератора это тепло было бы потеряно. в атмосферу и впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга иметь несколько теплообменников.

Как работает двигатель Стирлинга?

Вкратце

Подобно паровому двигателю или автомобильному двигателю внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя ряд основных операций, известный как его цикл. Рассмотрим упрощенный двигатель Стирлинга вытеснительного типа. На самом деле это довольно запутанно и трудно понять, пока вы не поймете, что происходит вот что. газ внутри попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках движется от горячей стороны цилиндра к холодной и обратно. Работа темно-синего рабочего поршня состоит в том, чтобы использовать энергию расширения газа для привода машины, которую приводит в действие двигатель, а затем сжимать газ, чтобы цикл мог повториться. Работа зеленого поршня вытеснителя заключается в перемещении газа с горячей стороны цилиндра (слева) на холодную сторону (справа) и обратно. Работая вместе, два поршня обеспечивают многократное перемещение тепловой энергии от источника к приемнику и ее преобразование в полезную механическую работу.

Подробно

Охлаждение и сжатие: Большая часть газа (показана синими квадратами) находится справа на более холодном конце цилиндра. По мере того как он охлаждается и сжимается, отдавая часть своего тепла, которое отводится радиатором, оба поршня движутся внутрь (к центру).
Перенос и регенерация: поршень вытеснителя перемещается вправо, а охлажденный газ движется вокруг него в более горячую часть цилиндра слева. Объем газа остается постоянным, поскольку он проходит обратно через регенератор (теплообменник), чтобы забрать часть тепла, которое он ранее выделил.
Нагрев и расширение: большая часть газа (показана красными квадратами) теперь находится слева в горячем конце цилиндра. Он нагревается от огня (или другого источника тепла), поэтому его давление повышается, и он расширяется, поглощая энергию. Когда газ расширяется, он толкает рабочий поршень вправо, который приводит в движение маховик и все, что приводит в действие двигатель. В этой части цикла двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию (и совершает работу).
Перенос и охлаждение: поршень вытеснителя перемещается влево, а горячий газ движется вокруг него в более холодную часть цилиндра справа. Объем газа остается постоянным при прохождении через регенератор (теплообменник), отдавая по пути часть своей энергии. Теперь цикл завершен и готов повториться.

Хотя двигатель проходит цикл, возвращаясь к тому, с чего начал, это несимметричный процесс: энергия постоянно удаляется от источника и накапливается в приемнике. Это происходит потому, что горячий газ совершает определенное количество работы поршня при его расширении, но поршень совершает меньшую работу по сжатию охлажденного газа и возвращению его в исходное положение.

Теоретически

Теперь вы можете подумать: «Это все очень сложно! Зачем возиться с двумя поршнями, когда простой паровой двигатель может обойтись только одним? Зачем все эти отдельные ступени? Почему бы не сделать все это проще?» Чтобы правильно ответить на эти вопросы, вам нужно понять теорию двигателей: эффективный двигатель перемещает газ через цикл процессов в соответствии с газовыми законами (основными законами классической физики, которые описывают, как давление, объем и температура газа относятся к). Самый известный идеализированный цикл называется циклом Карно и включает в себя повторение цикла изотермического (постоянная температура) и адиабатического (с сохранением тепла) расширения, за которым следует изотермическое и адиабатическое сжатие.

Двигатель Стирлинга использует другой цикл, который (в идеале) состоит из:

Изотермическое (постоянная температура) сжатие: наша стадия (1) выше, где объем газа уменьшается, а давление увеличивается по мере того, как он сжимается. тепло в раковину.
Изоволюметрический (постоянный объем) нагрев: наша стадия (2) выше, на которой объем газа остается постоянным, когда он проходит обратно через регенератор и восстанавливает часть своего прежнего тепла.
Изотермическое (постоянная температура) расширение: наша стадия (3) выше, на которой газ поглощает энергию источника, его объем увеличивается, а давление уменьшается, а температура остается постоянной.
Изоволюметрическое (постоянного объема) охлаждение: вышеприведенная стадия (4), на которой объем газа остается постоянным при его прохождении через регенератор и охлаждении.

Реальный двигатель Стирлинга работает по более сложной, менее идеальной версии этого цикла, которая выходит за рамки этой статьи. Достаточно просто отметить, что четыре этапа не разделены жестко, а сливаются друг с другом. Если вам интересно, об этом гораздо больше написано в статье Википедии о цикле Стирлинга.

Некоторые альтернативные анимации

В Википедии есть еще одна анимация бета-версии двигателя Стирлинга (хоть и красиво нарисовано, за этим трудно уследить, потому что отдельные этапы не объясняются рядом).
MIT также имеет приятную небольшую анимацию, но сопровождающее объяснение довольно минимально.
Лучший из всех: отличная анимация и объяснение на Animated Engines, превосходный веб-сайт со множеством четких и понятных страниц о всевозможных других движках, которые стоит изучить. Мне нравится, что все двигатели нарисованы в одном и том же простом стиле, поэтому их легко сравнить.

Для чего можно использовать двигатели Стирлинга?

Фото: Хотя инженеры пытались оснастить автомобили двигателями Стирлинга, эксперименты были не такими успешными. Двигателю Стирлинга требуется время, чтобы набрать скорость. не справляется с остановкой и запуском, что делает его менее подходящим для питания автомобиля чем обычный двигатель внутреннего сгорания. Мы вряд ли увидим дальнейший прогресс на этом фронте: будущие автомобили, скорее всего, будут оснащены электродвигателями или топливными элементами. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

Двигатели Стирлинга лучше всего работают в машинах, которым требуется непрерывно производить энергию, используя разницу между чем-либо горячее и что-то холодное. Они идеально подходят для солнечных электростанций, где солнечное тепло играет на зеркале, которое действует как источник тепла, и высокоэффективные комбинированные теплоэлектростанции (ТЭЦ), которые должны производить стабильные поставки электроэнергии. Недавно пионер Segway Дин Камен помог возродить интерес к двигателям Стирлинга. используя их в качестве основы для компактного, домашнего электроснабжения генератор под названием Beacon 10, размером примерно с бытовую стиральную машину.

В обычном двигателе Стирлинга вы нагреваете до горячий конец машины (источник тепла) и получить механическую работу и меньше тепла от другого, более холодного конца (радиатора). Как только электродвигатели можно использовать в качестве генераторов в обратном направлении, так что можно поставить энергию в двигатель Стирлинга и запустить его в обратном направлении, эффективно отвод тепла от радиатора и выброс его в источник. Это превращает двигатель Стирлинга в «криоохладитель». эффективное охлаждающее устройство. Охладители двигателя Стирлинга используются в сверхпроводимость и электронные исследования.

Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга

Фото: Чистый, экологичный, безопасный, эффективный и компактный — двигателей Стирлинга много преимущества. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Самым большим преимуществом двигателей Стирлинга является то, что они намного эффективнее паровых двигателей (в основном из-за замкнутый цикл и регенеративный теплообменник). У них нет котлы, которые могут взорваться, не нуждаются в снабжении водой и не имеют сложную систему открывания и закрывания клапанов, двигатели требуют. Это одна из причин, почему они намного тише паровых двигателей, и потому что они не обязательно включают сжигание топлива, могут быть намного чище. В отличие от паровых двигателей, которые обычно сжигают уголь для кипячения воды, двигатели Стирлинга могут работать от всех видов разное топливо.

С другой стороны, двигатели Стирлинга не запускаются мгновенно (это требуется время, чтобы важнейший теплообменник прогрелся, а маховик разгоняются) и они не так хорошо работают в режиме стоп-старт (в отличие от двигателей внутреннего сгорания двигатели). Им также нужны большие радиаторы, способные отводить отработанное тепло. что делает их непригодными для некоторых приложений.

Кто изобрел двигатели Стирлинга?

Иллюстрация: это иллюстрация оригинального двигателя Роберта Стирлинга (на основе его патента 1827 года). напоминает обычный паровой двигатель, но он более сложный. Два больших чугунные «воздушные сосуды» слева горячие внизу и холодные вверху (источник тепла и радиатор), и поршни вытеснителя перемещаются внутри них вперед и назад. Сзади можно увидеть рабочий поршень и маховик. Работа из книги «История и прогресс парового двигателя» Галлоуэя и Хеберта. Томас Келли, 1832 г., стр. 667.

Неудивительно, что Стирлинг двигатели были изобретены шотландским священником по имени Роберт Стирлингом в 1816 году. Он надеялся создать двигатель, который был бы более безопасным и эффективнее паровых двигателей, разработанных около века назад Томасом Ньюкоменом (и позже улучшенным Джеймс Уотт и др.). Появление двигателей внутреннего сгорания (бензиновых и дизельных двигателей) Двигатели Стирлинга отошли на второй план, хотя они были заново открыты Компания Philips в середине 20 века. Совсем недавно они становятся популярными в солнечных электростанциях и других формах возобновляемых источников энергии. энергии, где ценится их более высокая эффективность. Технология получил еще один импульс в 1980-е, когда Иво Колин из Загребского университета и Джеймс Сенфт из Висконсинского университета разработали новую, очень компактная конструкция двигателя Стирлинга, который может производить мощность с небольшими различиями между источник тепла и поглотитель.

Подробнее

На этом сайте

Дизельные двигатели
Энергия
Двигатели
Бензиновые двигатели
Тепло
Реактивные двигатели
Паровые машины

Статьи

Новости

Металлический порошок: новое безуглеродное топливо? Александр Хеллеманс, IEEE Spectrum, 16 декабря 2015 г. Как двигатели Стирлинга (приводимые в действие металлическими топливо) может сыграть свою роль в чистом, зеленом будущем.
Дин Кеймен думает, что его новый двигатель Стирлинга избавит вас от сети менее чем за 10 тысяч долларов, Кристофер Хелман. Forbes, 2 июля 2014 г. Краткое введение в генератор Камена Beacon 10.
Новый ядерный двигатель может использоваться для исследования дальнего космоса Адама Манна. Wired, 27 ноября 2012 г. НАСА исследует ядерный двигатель Стирлинга, который может питать космические зонды в местах, где солнечный свет (и солнечная энергия) недоступен.
Ford Motors испытывает потенциальный двигатель будущего, Ричард Уиткин. The New York Times, 3 ноября 1975 г. Отчет из архива Times о первых испытаниях Форда двигателей Стирлинга.
Империя вне сети автора Салли Ади. IEEE Spectrum, 31 июля 2009 г. Как двигатели Стирлинга и возобновляемые технологии помогают Дину Кеймену жить в автономном режиме на собственном частном острове.

Более академический

Двигатель Стирлинга Грэма Уокера, Scientific American, Vol. 229, № 2 (август 1973 г.), стр. 80–87. Хорошие иллюстрации различных конфигураций Стирлинга, включая Ванкеля, Ринии и другие варианты.
Двигатель Стирлинга: «Циклическая жизнь» старой технологии Райнхольда Бауэра, Icon, Vol. 15 (2009), стр. 108–118. Почему двигатели Стирлинга так и не стали коммерчески популярными? Теперь перспективы для них лучше?

Книги

Двигатели Стирлинга

Механический КПД тепловых двигателей Джеймс Р. Сенфт. Cambridge University Press, 2007. Подробное термодинамическое исследование тепловых двигателей, включая двигатели Стирлинга.
Двигатели Стирлинга и горячего воздуха: проектирование и создание экспериментальных моделей двигателей Стирлинга Роя Дарлингтона и Кейта Стронга. The Crowood Press, 2005. Практическое руководство по двигателям Стирлинга для модельеров.
Введение в двигатели Стирлинга Джеймса Р. Сенфта. Moriya Press, 1993. Краткое объяснение теории одного из пионеров современных двигателей.
История и развитие парового двигателя Галлоуэя и Хеберта. Томас Келли, 1832 г., стр. 667 и далее. Подробное описание «Патентного воздушного двигателя», основанное на оригинальном патенте Роберта Стирлинга и (очень приблизительно) современное ему.

Термодинамика двигателей

Двигатели: введение Джона Лиска Ламли. Издательство Кембриджского университета, 1999. Хотя это касается двигателей внутреннего сгорания, это будет интересно, если вы ищете термодинамический подход к анализу двигателей.
Термодинамика для чайников, Майк Паукен. Джон Уайли и сыновья. Простое введение в теорию термодинамики и ее практическое применение к таким вещам, как двигатели.

Видео

Пример двигателя Стирлинга: двухминутная демонстрация настоящей бета-версии двигателя Стирлинга, подобной той, что показана в моей анимации выше.
Двигатель Стирлинга: разборка: Дэн Рохас разбирает двигатель Стирлинга и показывает вам, что внутри. Это видео станет еще более понятным, если вы поймете теорию двигателей Стирлинга.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2012) Двигатели Стирлинга. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-stirling-engines-work.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Бибтекс

@misc{woodford_stirling_engines, автор = «Вудфорд, Крис», title = «Двигатели Стирлинга», publisher = «Объясните это», год = «2012», url = «https://www. explainthatstuff.com/how-stirling-engines-work.html», URL-адрес = «2021-05-28» }

Подробнее на нашем веб-сайте…

Связь
Компьютеры
Электричество и электроника
Энергия
Машиностроение
Окружающая среда

Гаджеты
Домашняя жизнь
Материалы
Наука
Инструменты и инструменты
Транспорт

↑ Вернуться к началу